KR0180048B1 - 입자 적재기 - Google Patents

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KR0180048B1
KR0180048B1 KR1019930020011A KR930020011A KR0180048B1 KR 0180048 B1 KR0180048 B1 KR 0180048B1 KR 1019930020011 A KR1019930020011 A KR 1019930020011A KR 930020011 A KR930020011 A KR 930020011A KR 0180048 B1 KR0180048 B1 KR 0180048B1
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존 노보빌스키 제퍼트
스탠리 슈나이더 제임스
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조안 엠. 젤사
프랙스에어 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

균일하게 충전된 흡착제 입자의 충전층은 흡착 용기의 단면에 수직으로 흡착제 입자의 균일한 흐름을 제공하도록 적합하게 된 입자 적재기를 사용하여 형성된다.

Description

입자 적재기
제1도는 본 발명에 따른 입자 적재기를 포함하는 흡착 용기의 개략적인 측면 확대도.
제2도는 용기 내에서 흡착제 물질의 적재를 용이하게 하는 흐름 조절 배열을 설명하는 도면으로, 흡착용기에 위치하는 입자 적재기의 개략적인 측면 확대도.
제3도는 본 발명에 따른 입자 적재기에 바람직한 실시예의 측면 확대도.
제4도는 흡착 용기 내 흡착제 입자 충전의 측면 확대도로서, 제4a도는 본 발명에 따른 실시예에서 얻을 수 있는 조밀한 충전을 나타내며, 제4b도는 본 발명에 따른 다른 실시예에서 얻을 수 있는 느슨한 충전을 나타내는 도면.
제5도는 본 발명에 따른 회전 가능한 입자 적재기의 회전속도와 입자 밀도의 관계를 나타내는 그래프.
제6도는 용기의 전체에 걸쳐 입자의 분배를 증가시키기 위하여 분배 스크린들을 포함하며, 흡착 용기 내에 위치하는 입자 적재기의 개략적인 측면 확대도.
제7도는 본 발명에 따른 확장된 입자 적재기 회전 아암 실시예를 설명하는 개략적인 도면으로, 제7a도는 확장된 회전 아암 단부의 저면도이며, 제7b도는 그의 단면도.
제8도는 종래의 입자 적재 방법에 따른 밀도 변동층에 대하여 본 발명에 따라 흡착층의 밀도를 일정하게 충전시키는 입자 적재기를 사용하여 얻어진 개선된 PSA 수행능을 설명하는 그래프.
제9도는 본 발명에 따른 유동층 입자 적재기 실시예의 개략적인 측면 확대도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 흡착 용기 2 : 흡착입자 층
3 : 입자 적재 어셈블리 4 : 회전 아암
5 : 구멍 6 : 균일한 입자 흐름
7 : 공급 호퍼 8 : 원추형 공급로
9 : 구동 모터 10 : 구동 벨트
11 : 장착판 12 : 지지 아암
13 : 회전 베어링 14 : 고정 플랜지
15 : 회전 플랜지 16 : 온-오프 입자 제어자
17 : 회전 아암 18 : 평형추
19 : 유연성 만곡부 20 : 흡착용기
21 :지지 브래킷 22 : 구멍
23 : 회전 아암 24 : 구멍
25 : 판 26 : 외향단부
27 : 구멍 28, 29 : 입자
31 : 회전 아암 32 : 원추형 공급로
33 : 잠금 밸브 34 : 지지 브래킷
35 : 평형추 36 : 제1구멍
37 : 유연성 만곡부 38 : 중심선
39 : 흡착 용기 40, 41 : 스크린
42 : 조밀 충전층 50 : 원추형 공급로
51 : 잠금 밸브 52 : 회전 아암
53 : 상부 54 : 만곡부
55 : 하부 56 : 구멍
57 : 흡착용기 58 : 지지브래킷
59 : 평형추 60 : 확장부
61 : 구멍 62 : 단면형상
63 : 흡착 용기 64 : 흡착제층
65 : 기체 배출수단 66 : 분배판
67 : 구멍 68 : 기체공급수단
69 : 유도층 70 : 다운커머구멍
71 : 입자의 균일 낙하
본 발명은 흡착 물질로 용기를 적재하는 것에 관한 것이다. 보다 상세하게는 용기 전체를 통하여 충전이 균일하게 되도록 흡착제를 충전하는 것에 관한 것이다.
공급기체 중 보다 신속하게 흡착 가능한 성분이 선택적으로 흡착제 물질층에 흡착되는 열변동 흡착(TSA) 또는 압력 변동 흡착(PSA) 기술의 실시에 있어서, 전체적인 성능이 실질적인 상업적 적용에 때로 바람직하지 못하며, 기대에 미치지 못한다. 평균 성능에 못 미치는 한가지 원인은 본 기술분야에서 일반적으로 적용되는 입자 적재기술에 의해 발생하는 흡착제 용기내의 흡착제 입자의 비균일한 밀도 때문이다.
예컨대, 흡착제 입자는 일반적으로 선적 드럼으로부터 정상플랜지부를 통하여 용기로 간단히 쏟아내려 선적 드럼으로부터 처리용기로 운반된다. 흡착제 물질은 용기로 흘러 들어가며, 일반적으로 중심부에 원추형 도관을 형성하며, 흡착제 입자가 벽쪽으로 외향된 원추형 도관의 측면 아래로 미끄러짐으로써 용기의 벽에 다다른다. 이러한 입자의 적재기는 입자 충전 밀도가 높은 중심부, 입자 충전 밀도가 낮고 용기벽에서 가까운 외곽부 및 그 사이의 밀도 변동부를 형성한다.
이러한 입자 적재 밀도가 불균일한 문제점을 극복하기 위하여, 중심부에 구멍이 형성된 일련의 원추형 편향장치가 입구 아래에 밀착하여 용기 내에 위치한다. 용기 내로 흘러들어 적재될 때, 흡착제 입자는 원추형 도관에 부딪치고 용기의 벽쪽을 향하여 바깥쪽 방향으로 편향된다. 이러한 시도는 중심부의 원추형 도관으로부터 입자들이 분배되며, 입자 충전 밀도가 보다 더 균일하게 만들어지는 경향이 있다. 효과적인 것으로 알려지지는 않았으나, 규모가 큰 예컨대, 약 6피트의 직경을 가지는 상당히 큰 용기에 대하여, 유동 입자의 일부는 용기의 벽에서 바깥쪽 영역으로 분배될 수 있는 충분한 에너지를 갖지 못한다. 이는 또한, 일련의 원추형 도관의 중심에 도입되는 입자의 흐름을 균일하게 하며 정확히 위치시킬 필요가 있다는 단점이 있다. 이는 입자가 예컨대, 55 갤론 드럼과 같은 커다란 드럼으로부터 유연성 호스를 통하여 용기의 입구 플랜지로 공급되기 때문에 매우 곤란하다.
기술분야의 숙련자에게 알려진 바와 같이, 입자가 적재되는데 있어서의 드럼 대 드럼 편차 때문에 용기 적재에 있어 발생할 수 있는 여러 문제점들이 있으며, 따라서, 적재의 특별한 방법이 적용된다. 만일, 예컨대, 입자가 통상적인 실시에 따라 용기로 부어진다면, 이송 드럼으로부터의 모든 물질이 층의 일면에 수집되려는 경향이 관찰된다. 이러한 물질은 다소 반응성이 있거나, 또는 크기에 있어 전체의 평균치보다 다소 크거나 작다. 이는 또한, 층에서 흡착물질면에 불균일성을 부여하며 이는 용기 내에서 수행되는 흡착공정의 효율을 감소시킨다.
상기한 바와 같은 이유로, 흡착 용기 내에 입자의 적재가 불균일하게 이루어진다면, 전체적으로 유체의 흐름이 비균일하게 일어날 것이다. 따라서, 비균일 압력 하에서 입자 물질의 층에 유체가 접근할 때 또는 흡착제 층의 정상부 또는 기저부에서 이러한 유체의 흐름이 조밀한 중심부를 통과하는 양이 느슨하게 즉, 보다 밀도가 낮게 적재된 외곽부를 통과하는 양보다 적다. 층의 중심부로부터 층의 외곽부까지의 입자 밀도에 있어서의 이러한 변화는 일반적으로 용기의 직경이 증가함에 따라 증가한다. 이는 용기내의 흡착제층의 중앙으로부터 외곽 모서리까지 이동할 때 행하는 보다 큰 전단작용에 기인한다. 이에 관하여, 1 내지 4 피트 직경범위의 상대적으로 작은 용기는 입자 원추형 도관 중심부가 전체용기를 거의 채우기 때문에 거의 균일한 밀도를 가질 수 있다. 그러나 보다 큰 용기에 있어서는 입자 원추형 도관의 중심부가 전체 용기를 채우지 못하고 입자의 불균일한 충전이 관찰된다. 이러한 크기가 큰 용기에 있어서, 충전층을 통과하는 속도가 입자 충전 밀도와 밀접한 관계가 있기 때문에 층내의 작은 밀도 변화는 기체 흐름에 있어 큰 변화를 야기시킬 수 있다. 용기내 입자의 불균일한 충전에 의해 야기되는 이러한 불균일 흐름 조건은 보다 규모가 크고, 상업적으로 중대한 작동에 부합하는 흡착 성능에 있어서, 기대에 못 미치는 수준을 나타낸다.
이러한 상황을 고려하여, 상업적 실시에 사용되는 입자 적재 기술에 대한 개발이 요구되고 있다. 실제적으로, 흡착제 입자를 보다 균일하게 적재하기 위한 특히, 보다 크기가 큰 흡착 용기의 적재에 사용하기 적합한 적재기술의 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은 흡착 용기를 적재하기 위해 개량된 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 흡착 용기를 통하는 흡착제의 균일한 충전을 얻기 위한 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적에 비추어, 본 발명을 이하에서 상세히 설명하며, 첨부되는 청구 범위에서 특히 신규한 특성을 지적한다.
입자 적재기는 용기의 단면에 걸쳐 균일한 입자의 적재를 얻기 위하여 흡착제를 포함하거나 다른 입자를 흐르게 할 수 있도록 일련의 구멍을 제공한다. 적재기는 용기의 단면에 걸쳐 균일한 입자의 적재를 얻기 위하여 흡착제를 포함하거나 다른 입자를 흐르게 할 수 있도록 일련의 구멍을 제공한다. 적재는 회전가능한 관 또는 유동층 조건과 연결하여 사용되는 구멍난 고정판을 포함하고 있으며, 용기 내에서 입자의 균일한 충전을 얻도록 흡착 단면을 가르지르거나 또는 다른 용기로부터 균일한 흐름을 얻는다.
이하에서, 본 발명을 첨부도면을 참고로 상세히 기재한다.
본 발명의 목적은 용기의 단면에 걸쳐 입자를 균일하게 통과시켜 흡착제 또는 다른 입자들을 용기에 균일하게 적재시킬 수 있는 입자 적재 장치 및 적재 방법에 의해 성취될 수 있다. 흡착층으로 흡착제 물질을 적재하는 것에 관하여, 이하에서 상세히 기재하는 바와 같이, 본 발명은 입자 적재기 장치를 회전시키거나 또는 고정 입자 적재 장치에서 흡착제 입자를 운동시킴으로써, 입자 적재 중에 용기를 통과하는 흡착제 입자의 흐름이 단면을 가로질러 균일하게 얻어질 수 있다.
본 발명의 실시에 의해 얻어지는 흡착제 용기의 균일한 충전은 생성되는 균일 조밀 충전 흡착 용기를 사용할 때 PSA 또는 다른 유체 분리 작동에서 기체 생성량을 크게 증가시킨다.
본 발명의 다양한 실시예의 실시에 있어서, 흡착제 입자는 층 전체에 바람직하게 균일한 밀도를 얻기 위하여 흡착 용기의 단면에 걸쳐 균일한 비율로 떨어진다. 균일 충전층은 형성되는 흡착층에로의 입자 유동속도에 따라, 불규칙 조밀 충전부터 불규칙 비조밀 충전에 이르기까지 변화할 수 있다. 균일한 충전층에서 불규칙 조밀 충전은 본 발명에 따른 입자 적재기로부터 떨어지는 각 입자가 용기로 적재되는 다른 입자가 접촉하기 전에 층 표면에 놓여짐으로써 야기된다. 따라서, 각 입자는 이미 층내에 있는 다른 입자에 의해 형성된 우묵한 영역으로 완전히 떨어진다. 또한 층에 놓여지기 전에 떨어지는 입자들이 서로 부딪힌다면, 입자들 사이의 마찰력이 층에서 다른 입자에 의해 형성되는 우묵한 영역으로 굴러들어가게 되며, 불규칙 비조밀 입자 충전이 얻어진다. 모든 경우에 있어서, 층 전체에 균일한 밀도로 충전된다.
도면을 참고로, 제1도는 본 발명의 실시예로서, 회전 아암 입자 적재기가 적용된 수직 원통형 흡착 용기를 도시하고 있다. 흡착 용기(1)는 그 안에 형성된 흡착제 입자층(2)을 갖는다. 공급 호퍼 및 구동수단을 포함하는 입자 적재 어셈블리(3)가 흡착 용기(1)의 정상부에 장착되며, 흡착제 입자의 적재 중에 유체가 흡착 용기(1)의 상부에 위치하는 회전 아암(4)과 상호 작용하도록 제어된다. 회전 아암(4)은 층(2)으로 입자를 배출하기 위해 위치하는 일련의 구멍들(5)을 가지는 도관을 포함한다. 구멍들은 층의 전체 단면에 걸쳐 층의 단위 면적(ft2)당 입자의 적재량이 균일하도록 크기와 배열이 적합하게 된다. 구멍들이 전형적으로는 원형이나, 주어진 적용에 바람직한 임의의 적당한 형상도 적용가능하다. 회전 아암(4)이 회전하기 때문에, 흡착용기(1)에 형성되는 층(2)을 이루는 부가적인 흡착제 입자의 충전이 균일하게 일어나는데 필수적인 입자의 흐름이 균일하게 흡착제 입자가 떨어지면서, 아암이 수직 흡착용기(1)의 전체 단면적을 지나친다.
특정한 입자 적재 어셈블리(3)에 관하여는 제2도에 상세히 나타나 있다.
본 발명에 따른 실시예의 실시에 있어서, 입자 적재 어셈블리(3)의 공급호퍼부와 회전 아암(4)은 모두 상기 구동 수단에 의해 회전된다. 제2도에서 입자 적재 어셈블리(3)가 흡착제 입자 공급 호퍼(7)와 흡착제 입자가 배출되어 회전 아암으로 유동하는 원추형 공급로(8)를 포함하고 있는 것으로 나타났다. 구동 수단은 공급 호퍼(7), 원추형 공급로(8) 및 회전 아암(4)을 회전시키기 위하여 공급된다. 가변 속도 구동모터(9)는 공급 호퍼(7)를 구동시키도록 적합하게 된 벨트(10)를 구동하기 위하여 사용된다. 입자 적재 어셈블리가 지지 아암(12) 및 이에 의해 지지되는 회전 베어링(13)을 통해 흡착용기(1)의 상부에 부착된 장착판(11)에 지지된다. 회전베어링(13)은 두 개의 L자형 플랜지로 이루어지며, 하나는 지지 아암(12)에 의해 장착 판(11)에 장착되는 고정 플랜지(14)이며, 다른 하나는 공급 호퍼(7)에 고정된 회전 플랜지(15)이다. 회전 플랜지(15)의 접촉면이 테플론 기저 자체 윤활 작용을 하는 낮은 마찰 베어링 물질인 룰론 제이(Raulan J; 상표명)로 덮혀져 있다.
또한, 입자 적재 어셈블리(3)는 공급호퍼 및 원추형 공급로로부터 회전 아암(4)으로 흡착제 입자의 흐름을 제어하기 위하여 원추형 공급로(8) 아래에 위치하는 온-오프 입자 제어자(16)를 포함한다. 제어자는 흡착 용기(1)의 적재를 위한 회전 아암(4)으로 흡착입자가 흐르기 전에 공 급호퍼(7)가 채워지게 한다. 흐름에 있어 이러한 잠금 밸브(16)와 상호작용하는 회전 아암(17)은 평형을 맞추기 위한 평형추(18)를 가지며, 흡착용기(20)에서 회전 아암(17)이 다양한 각도로 설정되고 적합한 유연성 호스로 만들어진 유연한 만곡부(19)를 포함한다. 회전 아암(17)은 유연한 만곡부(19) 상하에서 회전 아암(17)과 연결된 지지 브래킷(21)에 의해 바람직한 각도를 갖는 위치에 설정된다. 임의의 특정 응용에 적용되는 회전 아암 각도는 흡착제 입자의 내부마찰, 회전 아암(17)의 내경, 아암과 흡착제 입자들 사이의 마찰 등과 같은 여러 요인들에 의존할 것이다. 흡착제 입자들과 회전 아암 사이의 이러한 마찰은 테플론과 같은 저마찰 물질로 회전 아암의 내면을 코팅함으로써 감소시킬 수 있다. 이는 일반적으로 수평선으로부터 보다 작게 회전 아암 각도가 적용될 수 있게 하며, 층이 보다 많은 흡착제 물질로 채워지고 회전 아암 내의 구멍에서 흡착제 입자간의 임의의 브리징을 최소화 할 수 있게 한다. 일반적으로, 가시적으로 가장 작은 회전 아암의 각도가 바람직하며, 이 경우 본 발명에 따른 입자 적재기를 사용하며 얻어지는 흡착제층의 가장 높은 레벨이 된다. 전형적으로 균일한 직경을 갖는 구멍들을 가지는 회전 아암(17)에 대한 최종 설정은 아암의 길이를 따라 첫번째와 마지막 구멍의 입자배출을 동일하게 하는 것이 바람직하다. 이는 주어진 시간 동안 구멍의 입자 유동 배출량을 수집 및 측량함으로써 용이하게 결정된다. 구멍의 직경이 변화하는 실시예에 있어서, 동일한 과정이 사용될 수 있으나, 입자의 흐름은 구멍에 의해 채워지는 층의 면적에 의해 나뉘어져야 한다.
상업적인 실시에 있어서, 흡착 조작에 적용되는 흡착제 물질은 12 피트 직경의 흡착용기의 경우, 전형적으로 8×12메쉬 사이즈의 분자체 물질이 된다. 이러한 조작에 있어서, 약 5 피트 10인치 반경, 예컨대, 1/8 인치 두께의 알루미늄 튜브로 된 4인치 파이프(공업용 파이프 표준 스케즐 40)인 회전 아암이 유용하게 적용된다. 이러한 회전 아암(23)은 흡착제 입자가 통과되고 적재될 흡착제 층으로 떨어지게 할 수 있도록 하부에서 길이 방향으로 분포된 구멍(24)을 갖는다. 알루미늄이나 다른 적합한 단부 판(25)은 흡착제 물질이 회전 아암을 통하여 구멍(24)으로 배출되어 충전되지 않고 외곽단부로 방출되는 것을 방지하기 위하여 회전 아암의 외곽 단부가 용접된다. 상기 구멍(24)의 직경은 회전 아암의 크기가 상기한 바와 같을 때, 전형적으로 7/16 인치이나, 구멍의 직경은 변할 수 있으며, 필요한 경우 상이한 크기로 된 구멍이 적용되어 회전아암(23)이 회전할 때 전체적으로 특히 균일한 흐름을 제공하여 흡착 용기내에 적재된 층에 흡착제 입자를 균일하게 분배한다.
4인치 직경의 회전 아암 파이프에 대하여, 구멍의 크기는 전형적으로 3/8 인치 내지 3/4 인치가 될 것이다. 일반적으로, 구멍의 최소 직경은 전형적으로 회전 아암을 통해 통과되는 흡착제 입자 직경의 약 6배가 된다. 작은 구멍/흡착제 입자 직경의 작은 비율은 입자의 구멍간 브리징 때문에 구멍의 간헐적인 막힘을 초래하는 경향이 있다.
회전 아암(23) 하부의 구멍들이 제3도에 나타낸 회전 아암의 외단부(26)에서 회전 아암의 주어진 길이 당보다 많은 구멍을 가지도록 보다 조밀하게 위치하며, 회전 아암(23)의 단부 근처의 구멍(27)들보다 넓은 간격으로 위치하여, 제2도에 관해 상기한 바와 같이 공급호퍼, 원추형 공급로 및 제어치에 밀접하게 연결되어 있는 실시예도 본 발명의 범주에 속한다.
전형적인 실시에 있어서, 회전 아암은 상기의 유연한 만곡부에 의해 다양한 회전 아암 각도로 흡착용기내에 바깥쪽으로 연장되어 있으며, 회전 아암의 각도는 10°내지 30°의 수평각이 바람직하고 20°가 가장 바람직하다. 회전 아암은 적합한 회전 속도로 회전하여 입자가 회전 아암내의 구멍을 통해 배출되고 주어진 흡착 조작에 대하여 요구되는 바람직한 균일층 역행 밀도를 제공하도록 하는 속도로 형성된 흡착층으로 떨어진다. 회전 아암은 20rpm 내지 0.02rpm의 속도로 전형적으로 회전하며, 많은 적용에 있어서 2rpm 내지 4rpm의 속도가 적합하고, 형성되는 흡착제층은 42 Ib./ft.3의 조밀 충전이 일어난다. 그러나, 다른 조작 조건도 본 발명의 범주 내에서 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 조작에 있어서, 흡착 용기에 형성된 흡착제 층의 밀도 또는 공극률은 회전 아암의 회전 속도에 의해 결정된다. 일정한 속도로 회전하도록 회전 아암 및 입자 적재 어셈블리를 설정할 때에, 전체 부피에 걸쳐 층의 밀도가 일정할 것이다. 이는 층의 전체 단면에 걸쳐 층의 단위 면적당 입자 피복비율이 일정하기 때문이다. 이러한 균일한 피복율에 의하여, 입자와 입자간 상호 인력 즉, 입자가 층의 표면에 놓여지게 될 때의 인력이 층내의 모든 입자에 대하여 평균 동일하게 된다.
높은 회전 아암의 회전 속도에서는 각 입자가 일반적으로 회전 아암으로부터 떨어지는 다른 입자와 접촉되기 전에 층표면에 놓여지게 될 수 있다. 이때 제4a도에 도시된 바와 같이 흡착제 입자는 불규칙 조밀 충전을 이룬다. 입자들 사이에 놓여지려는 입자들 즉, 입자(28)들은 입자들 사이의 우묵한 곳에 안착하려는 경향이 있으며, 이로 인하여 부가적으로 떨어지는 입자(29)가 이러한 입자(28)들과 접하기 전에 상기 입자(28)들의 조밀 충전이 일어난다. 회전 아암의 회전 속도가 감소될 때, 낙하 입자는 그 정상부에 놓여지기 전에 미리 적재된 입자와 상호 작용하기 시작한다. 이러한 경우, 이미 적재된 입자가 그들 아래의 우묵한 곳에 안착되지 않으며, 결합하는 입자들 사이의 마찰력이 층상에 다른 입자의 우묵한 곳으로 떨어지지 않게 하기 때문에 층에서의 입자 충전이 느슨하게 되게 한다. 매우 낮은 회전속도에서, 층으로 떨어지는 모든 입자 즉, 입자(29a)는 필수적으로 떨어지는 다른 입자들(29a)과 상호작용하며, 입자(28a)의 불규칙 비조밀 충전이 제4b도에서와 같이 이루어진다. 따라서, 회전 아암의 회전 속도를 변화시킴으로써, 충전 밀도가 불규칙 조밀 충전에서 불규칙 비조밀 충전까지 변화될 수 있다. 1.01 g/cc 즉, 63 Ib./ft.3의 체밀도, 0.67 g/cc 즉, 42 Ib./ft.3의 불규칙 조밀 충전의 8×12 사이즈의 분자체 흡착제는 12'직경의 용기에서 rpm 4가 얻어진다. 0.51 g/cc의 불규칙 비조밀 밀도 즉, 38 Ib./ft.3은 약 0.02rpm의 매우 낮은 회전 속도가 얻어질 수 있다. 회전 아암의 rpm에 대한 충전 밀도는 함수가 제5도에 도시되어 있다. 이러한 결과는 3/8 직경의 구멍을 통하여 흐르는 1g/cc 체밀도의 8×12 메쉬 분자체 입자를 사용하는 테스트에 기초한 것이다. 상기 결과에 해당하는 입자 요동은 0.08 내지 16cm3/s.cm2 이다. 입자의 부피흐름은 충전층 밀도와 바람직한 충전 용기를 채우기 위해 필요한 시간에 기초한다.
본 발명의 이점은 층 전체의 충전의 균일하다는 것이다. 이는 회전 아암내에서 회전 아암이 일회전 할 때 동일한 면적에 입자를 분배하는 각 구멍들을 가지기 때문이다. 동일한 크기의 구멍들에 대하여, 구멍의 배치는ri+1- ri2= 상수(상기 식에서, r은 회전 아암상의 수평 구멍 위치)이며, 상수는 각 구멍이 덮여지고 채워지려는 층의 면적과 동일하다. 이러한 구멍의 분포가 제3도에 도시되어 있으며, 상수는 1.57ft2같다. 층 입자 밀도가 일정한 것은 매우 중요한데, 이는 층 입자 밀도가 일정함은 흡착층을 통과하는 유체의 흐름속도가 일정한 것을 의미하여 바람직하게 적재된 응용이 이루어진다. 층의 중심에서 충전 밀도가 낮으면, 층의 중심부에서의 유속이 층의 나머지 다른 부분보다 높을 것이다. 이는 보다 더 선택적으로 흡착가능한 유체 혼합물 성분을 일찍 붕괴시키려는 결과를 초래하여 흡착제 층의 수명을 바람직하지 못하게 단축시키게 된다.
비교적 크기가 작은 용기에 있어서, 회전 아암은 용기의 바깥쪽 길이를 이동시킴으로써 짧게 만들어진다. 용기의 중심선으로부터 회전 아암의 바깥쪽 반경까지 구멍의 간격은 예컨대, 제3도 실시예의 12'에서와 같이 보다 큰 용기에 대하여 동일하게 유지된다. 크기가 큰 흡착용기에 대하여, 회전 아암은 더 길게 만들어지며 부가적인 구멍이 부가되고, 바람직하게는 상기의 실시예들에 따른다. 또한 크기가 큰 흡착용기, 특히 유체 분리를 위한 흡착제 적재 흡착 용기의 사용시에 공급물질의 공급속도가 높은 경우, 여러 개의 회전 아암을 적용함도 본 발명의 범주에 속한다.
사용되는 흡착제 입자가 구형이 아닌 흡착조작에 있어서, 입자의 형상 때문에 흡착 입자가 형성될 흡착층 내에서 입자에 의해 형성되는 우묵한 곳에 떨어지지 않게 될 수 있다. 이러한 경우, 흡착층을 진동시켜 이러한 문제점을 극복할 수 있다. 층의 운동은 표면 정상에서 보다 조밀하게 충전되도록 입자를 요동시킨다.
이러한 상황에서, 아암의 외단부에서 보다 넓은 분배 면적을 얻기 위한 수단뿐 아니라 용기의 중심선에서 가장 가까운 첫 번째 근소한 구멍에 대하여 스크린 또는 스크린들이 적용됨이 바람직하다. 이러한 스크린을 포함하는 본 발명의 변형은 용기의 중심에 입자 분배를 더하기 위하여 제6도에 제시되어 있다. 제6도에 있어서, 회전 아암(31)은 아래쪽에 위치하는 폐쇄 밸브(33)를 가지는 원추형 공급로(32)와 유동상태에 있어서 상호 작용한다. 상기 회전 아암(31)은 지지 브래킷(34)에 의해 바람직한 위치에서 보호되며, 평형추(35)가 지지 구조물의 일부로서 바람직하게 적용된다. 전형적인 배열에 있어서, 만곡부(37) 아래에 회전 아암(31)내에 있는 제1 구멍(36)은 흡착용기(39)의 중심선(38)으로부터 수평하게 6인치 위치에 위치하는 것이 편리하다. 구멍(36)은 흡착용기의 중심 1.57ft2영역을 차지한다. 7/16 직경의 구멍(36)으로부터 흡착제 입자가 떨어지는 것은 어떠한 경우에 있어 완전한 중심 영역을 덮지 않을 수도 있다. 흡착제 입자가 중심영역에 걸쳐 널리 퍼져 배출되도록 하기 위하여, 분배 스크린, 바람직하게는 (40 및 41)과 같은 일련의 메쉬, 예컨대, 약 4×4의 큰 메쉬 스크린이 바람직하게는 적어도 제1 구멍(36) 또는 상기 제1 구멍과 회전 아암(31)내의 적어도 하나의 부가적인 보다 넓게 분배된 구멍 아래쪽에 위치한다. 흡착제 입자가 원추형 공급로(32)로부터 회전 아암(31)으로 떨어질 때, 제1구멍(36)을 통하여 떨어지는 입자가 상기 스크린(40 및 41)과 접촉하며, 흡착용기(39)의 중심부에서 보다 넓은 면적에 걸쳐 분포된다. 제6도에서와 같이, 아래쪽에 위치한 스크린 수단(예컨대, 41)은 바람직하게는 위쪽에 위치한 스크린 수단(예컨대, 40)으로부터 바깥쪽으로 떨어지는 입자를 수용하도록 바깥쪽으로 바람직하게 배열된다.
흡착 용기 모서리 부분에서의 입자 분배를 좋게 하기 위하여 회전 아암의 단부를 보다 길게 하는 예가 제7도에 도시되어 있다. 이러한 경우, 원추형 공급로(50) 및 폐쇄 밸브(51)는 흡착제 층이 상기 용기내에 적재될 때 흡착용기(57)에서 아래쪽으로 상기 입자의 흐름을 위하여 저부측면에서 구멍(56)을 포함하는 외향부(55), 만곡부(54) 및 상부(53)를 가지는 회전 아암(52)으로 흡착제 입자를 전달하기 위하여 사용된다. 회전 아암(52)은 아래쪽을 향하고 상기 용기(57)의 벽쪽으로 연신된 하부 영역(55)을 가지며, 평형추(59)가 부착된 지지 브래킷(58)에 의해 바람직한 각도로 유지된다. 실시예에 있어서, 외향부(55)는 확장부(60) 즉, 회전아암(52)의 단부에서 기저부내에 부가된 구멍들을 허용하기 위하여 확장된 아암 단부를 갖는다. 이러한 구멍은 제7a도에 도시한 바와 같이 구멍(61)이다.
이러한 회전 아암 확장부의 정면 형상(62)이 제7b도에 도시되어 있으며, 구멍(61)을 제공함으로써, 흡착 용기(57)의 벽에 바람직하게 도달하기 위하여 흡착제 입자를 흐르게 할 수 있다. 전형적으로, 일반적으로 편리한 본 발명의 실시예에 있어서, 본 발명의 회전 아암 또는 적재 아암은 흡착용기의 내경보다 1인치 내지 2인치 더 짧다. 따라서, 용기의 벽이 흡착제 입자 흐름을 직접 수용하지 못하는 외관면이 있을 수 있으며, 이는 제7도에 도시된 실시예에 의해 보충된다. 따라서, 용기의 벽 근처 영역에서 적합한 물질의 흐름이 얻어진다. 상기의 실시예의 실시에 있어서, 필요한 경우, 흡착 용기의 벽 바깥쪽으로 입자를 유도하기 위하여 회전 아암내에 바깥쪽 구멍에 작은 운반 홈통이 설치될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라 일정 간격의 가변 구멍크기, 가변 구멍크기의 조합 및 가변 구멍 간격에 의해 회전 아암으로부터 흡착용기로 가변 입자흐름이 얻어질 수 있다.
실용적 분야에서의 경험으로부터 층의 충전 밀도의 균일성은 특히 흡착 용기의 직경이 증가할 때 중요해짐을 알 수 있다. 제8도는 본 발명의 실시에 따라 적재된 층과 상기의 종래 기술에 의해 적재된 층에 대하여 층 직경에 대해 도시된 표준화된 층 수행능력을 나타낸다. 예컨대, 최대 약 5ft.의 비교적 작은 흡착용기 직경에 대하여, 본 발명의 입자 적재기에 의해 적재된 42 Ib./ft.3의 조밀 충전층에 대하여 표준화된 PSA 수행능은 거의 1이 된다. 종래의 방법으로 적재된 가변 밀도층에 대하여, 용기의 직경이 최대 약 5ft.까지 증가할 때 PSA 수행능이 약간 감소하나, 38 Ib./ft.3의 충전에서 0.95의 충전층 밀도가 얻어진다. 이러한 조건에서 흡착제 층 흐름이 바람직하지 못하게 분포하는 것이 심각한 문제는 아니다. 용기 직경이 6' 이상으로 증가하나, 본 발명의 실시에 있어서 적재되는 층에 비하여 종래의 방법으로 적재된 층의 PSA 수행능은 상당히 감소된다. 본 발명에 따른 회전 아암 장치를 사용하여 적재된 12ft. 직경의 층에 대하여, 42 Ib./ft.3의 층밀도가 다시 얻어지며, 표준 PSA 수행능은 여전히 1이다. 종래의 방식에 있어서 적재된 동일층에 대하여 약 38 Ib./ft.3의 평균 밀도가 얻어지나, 표준화된 PSA 수행능은 단지 0.8이 된다. 용기의 직경이 6' 이상으로 증가할 때, PSA 수행능에 있어서의 커다란 감소는 흡착용기 내에 좋지 않은 흐름 분포 때문이다. 이러한 좋지 않은 흐름 분포는 층의 외부 모서리에서 낮은 부분 밀도의 층 면적의 존재에 의해 유발되며, 이로 인한 큰 유체 흐름의 이동이 흡착 용기 내에 분리되고, 층면적 중 층의 중심에서 부분 밀도가 높으며, 유체의 흐름량은 보다 작다. 이러한 면은 종래의 적재 접근은 불균일 층밀도 또는 PSA 또는 다른 흡착 공정의 수행률을 크게 감소시키는 바람직하지 못한 분율을 초래한다. 본 발명에 따른 적재에 의하여 층 전체의 흐름이 균일하게 유지되는 균일한 층 밀도 또는 공극률을 얻을 수 있으며, 따라서, 층의 수행능이 층의 직경에 독립적이다. 특히, 제8도에 나타낸 결과로부터 본 발명이 예컨대 6' 직경 이상의 크기가 큰 흡착공정의 용기를 사용하는 대규모 공장에서 특히 결정적이다. 본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 흡착 용기내의 흡착제 입자를 균일하게 적재하기 위하여, 상기의 회전 아암 대신에 윕핑(weeping) 유동층이 사용된다. 이 경우, 제9도에 도시된 바와 같이, 용기의 상부 헤드 공간에 구멍 뚫린 판이 위치하며, 기체 흐름이 흡착 용기를 통하여 위쪽으로 통과되며, 흡착제 입자가 판의 단면을 가로질러 균일한 속도로 판내의 다운커머 구멍을 통한 입자의 윕핑 즉, 낙하에 대해 제어속도로 구멍 뚫린 판에 부어진다.
제9도에 도시된 실시예에 있어서, 흡착층(64)이 적재되는 흡착용기(63)는 그 내부와 유동 상호 작용하는 정상부에 위치하는 공급호퍼와 기체 배출 장치(64)를 갖는다. 분배판(66)은 용기의 헤드 공간에 위치하며, 판의 단면 전체에 균일하게 위치하는 작은 개구 또는 구멍들(67)을 갖는다. 기체 주입 수단(68)은 상기 용기(63)를 통하여 공기 또는 기체흐름을 위쪽으로 통과하도록 하기 위하여 제공된다. 상기 기체 흐름은 구멍난 분배판(66)내에 구멍들(67)을 통하여 위쪽으로 공급 호퍼 및 기체 배출 수단(65)을 통하여 용기의 정상부의 바깥쪽으로 통과한다.
작은 구멍(67)을 통한 기체의 흐름은 흡착재 입자가 유동 상태로 용기내의 분배판(66)으로 부어지도록 한다. 따라서, 상기 분배판(66)위에 즉시 생기는 유동층(69)의 레벨이 상기 구멍난 판을 가로질러 일정하게 유지되며, 얻어지는 흡착제층(64)내의 흡착제 입자의 균일한 적재가 가능하게 한다. 유동층(69)내의 흡착제 입자가 상기 입자를 채울 수 있게 된 편리한 디자인의 다운 커머 구멍(70)을 통하여 유동하며, 상기 분배판(66)을 가로질러 균일한 방식으로 된 흡착제 윕핑형으로 구멍을 통해 낙하한다. 따라서, 다운 커머 구멍(70)은 판의 전체 영역에 걸쳐 균일하게 간격을 유지하며, 유동층의 높이가 구멍난 분배판(66)을 가로질러 일정하기 때문에 각 구멍을 통해 흡착제 입자의 흐름을 바람직하게 일정하게 유지할 수 있게 한다. 흡착제 용기(63)의 단면적을 가로질러 입자의 낙하류(71)가 균일함에 의해 상기한 바와 같이, 다운커머 홀이 구멍난 판에 걸쳐 균일하게 이격되어 있으며, 각 판을 통해 아래쪽으로 흐르는 흡착제 입자의 흐름이 동일하기 때문에 구멍난 판 아래의 고정흡착층(64)상으로의 단위 면적당 입자 흐름이 균일하다.
당해 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 명세서에서 첨부된 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범주 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명은 회전 아암을 통해 흡착제 입자가 바람직한 정도로 균일하게 되도록 구멍을 이격하고 구멍의 크기를 적합하게 조합하여 이용할 수 있으며 또는 흡착제 적재 조작중에 형성되는 층내의 흡착제 입자의 균일한 충전을 얻기 위하여 유동층을 가지고 분배판이 이용될 수 있다. 상기한 특정 회전 아암에 있어서, 12', 6 흡착용기내에 위치하기에 적합한 것은 외경이 4이고, 1/8 두께의 알루미늄 튜브이며, 전형적인 실시예에 있어서, 7/16인치 직경의 구멍이 흡착제 입자가 통과하는 흐름을 위해 하부에 위치한다. 이러한 전체 구멍(68)은 본 발명의 예시적 실시예에 적용되며, 구멍이 흡착 용기의 외곽부보다 중심선의 공간내에서 더 이격되어 위치해 있다. 회전 아암은 하나 이상의 시그먼트로 제조되며, 예컨대, 상기 실시예에 있어서는 만곡부 하부에서 용기 중심선 근처의 38의 상기 제1부가 적합한 힌지 또는 다른 보호수단에 의해 흡착 용기벽으로 바깥쪽을 향해 연장되는 39.95의 제2부에 부착되어 있다. 회전 아암의 세부적인 것은 변화가능하나, 주어진 입자 적재기 적용의 요구사항을 조정할 수 있어야 한다. 상기한 바와 같이, 회전 아암의 회전 속도는 바람직한 흡착층 충전배열의 성질에 의존하여 변화할 수 있다. 유사하게 제9도에 도시된 본 발명의 실시예에 있어서 입자의 유동층은 적재될 흡착층으로 흡착용기를 통하여 흡착제 입자를 바람직하게 윕핑 또는 낙하시키기 위하여 분배판상에 위치하는 다운커머를 통해 흡착제 입자의 바람직한 흐름 비율을 제공하도록 변화시킬 수 있다.
발명의 제1도 및 제9도에 도시된 바와 같은 원통형 층을 포함하는 수직 흡착 용기의 적재에 관하여 기재하였으나, 본 발명의 입자 적재기는 방사상 유동층 배열을 포함하는 수직 실린더와 같은 다른 층 배열에 대하여도 사용될 수 있다. 이러한 수평용기에 있어서, 편리하게는 회전 아암의 흡착층위로 용기 측면에 부착된 지지 트랙상에서 용기를 가로지를 수도 있다. 회전 아암의 속도는 보다 많은 흡착물질이 용기의 각 단부에서 구부러진 헤드 영역을 채울 필요가 있기 때문에 용기의 헤드를 제외하고는 일정하게 유지된다.
본 발명이 흡착 물질층의 적재에 대하여 기재하고 있으나, 당해 기술분야의 숙련자라면 용기로 적재되는 입자가 균일한 충전을 얻기 위하여 촉매를 적재하는 것과 같은 다른 응용이 이용될 수 있다.
본 발명은 입자 적재, 특히 흡착분야에서 매우 실용적이고 유용하다. 흡착 물질이 종래 기술에 의한 실시보다 조밀하게 충전됨으로써, 이 발명은 조밀한 입자 적재가 요구되는 응용에 소정 크기의 흡착용기에 보다 많은 흡착제 물질이 위치될 수 있다. 모든 응용에 있어서 흡착제 입자를 임의의 밀도로 흡착 용기의 단면을 통하여 균일하게 충전시킬 수 있다. 공급 유체의 균일한 흐름이 실용적인 유체 분리조작 특히, 크기가 큰 흡착 용기에 있어서 사용될 때 모든 층을 통해 균일한 충전이 이루어진다. 본 발명의 입자 적재기를 사용하여 흡착입자가 적재되는 12' 직경 진공 PSA 산소시스템에서 20%의 산소 생산에 있어서의 상당한 증가는 본 발명의 중요성을 설명해 준다. 이러한 개선된 수행능력은 산소 뿐 아니라 질소 생산을 위한 공기 분리, 수소/메탄 분리 및 다른 다양한 흡착기술을 이용하여 수행되는 공기의 분리 과정과 같은 다양한 유체 분리 흡착 조작에서 유사하게 얻어질 수 있다. PSA 및 다른 흡착공장에 대해 요구되는 생산비율로 일반적으로 큰 직경을 갖는 흡착용기를 필요로 하는 전 세계적인 공업조작의 증가되는 요구사항을 만족시키기 위하여 그 연구가 증가하고 있다. 본 발명에 따른 입자 적재기가 큰 직경을 갖는 흡착 용기와 결합하여 사용될 때, 실용적인 상업적 조작에서 흡착 용기를 사용할 때 얻어지는 생산물의 생산에 보다 더 나은 개선점을 얻을 수 있다.

Claims (20)

  1. 용기 내에 입자를 적재하기 위한 것으로, 용기 내에 충전될 입자를 공급하기 위한 공급 호퍼 부분, 상기 공급 호퍼로부터 용기로 입자의 이동을 제어하기에 적합하게 된 제어수단, 및 용기 내에 위치하고 적어도 용기의 중심부로부터 벽근처까지의 길게 연장되어 있고, 공급 호퍼 수단으로부터 길이 방향으로 통과하는 입자를 분배하기에 적합하게 되어 있으며, 길이방향으로 위치하여 입자가 용기 단면을 가로질러 균일하게 흐르도록 적합하게 된 구멍을 가지는 입자 공급면을 포함하며, 용기의 적재시에 입자의 충전층이 균일하게 형성되는 입자 적재 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용기가 흡착제 입자로 적재되는 흡착용기인 입자 적재 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 입자 공급면이 용기의 중심선에서의 상부, 만곡부 및 용기의 벽방향으로 외향 연장되어 있는 하부로 이루어진 회전 아암을 포함하며, 상부에서 그 하부가 용기 안을 회전하는 방식으로 운동하면서 회전 아암을 회전시키는 구동수단을 포함하며, 구멍을 포함하는 입자 공급면내의 구멍이 회전 아암의 하부에 위치하여 상기 회전 아암이 용기 내에서 회전될 때, 용기의 단면을 가로지르는 입자의 유동이 균일하게 이루어지는 입자 적재 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 회전 아암의 하부가 용기 내에서 하향 연장되어 있는 입자 적재 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 회전 아암의 하부가 수평위치에 대해 약 10°내지 약30°의 각도로 하향 연장된 입자 적재 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 구동 수단이 회전 아암, 제어수단 및 공급 호퍼 수단을 20rpm 내지 0.02rpm의 회전속도로 회전시키기에 적합하게 된 입자 적재 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 회전 아암 하부의 구멍들이 용기의 중심선 근처에서 더 이격되어 위치하며, 회전 아암 하부의 길이를 따라 바깥쪽에서 더 서로 밀접하게 위치하는 입자 적재 장치.
  8. 제6항에 있어서, 회전 아암, 제어수단 및 공급 호퍼 수단의 회전을 용이하게 하기 위한 회전 베어링 수단을 더 포함하는 입자 적재 장치.
  9. 제8항에 있어서, 공급 호퍼 수단으로부터 입자의 이동을 용이하게 하기 위하여 제어수단과 공급 호퍼 수단 사이에 위치하며, 회전 가능한 원추형 공급수단을 더 포함하는 입자 적재 장치.
  10. 제3항에 있어서, 상기 회전 아암의 바깥쪽 단부가 입자가 회전 아암을 통하여 흐르고 그 단부에서 배출되지 않도록 폐쇄되어 있는 입자 적재 장치.
  11. 제3항에 있어서, 용기의 중심선 부근에서 회전 아암 하부의 구멍들 아래쪽에 위치하며, 용기의 중심부에서의 입자 분배를 촉진하기 위한 분배 스크린을 더 포함하는 입자 적재 장치.
  12. 제3항에 있어서, 용기 벽 근처의 입자 분배를 촉진하기 위하여, 부가적인 구멍들을 가지는 회전 아암 하부의 확장된 외곽단부를 더 포함하는 입자 적재 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 입자 공급면이 용기의 상부에 위치하며, 상기 공급 호퍼 수단을 통과한 입자가 구멍난 분배판으로 유동하도록 위쪽으로 기체의 흐름을 유도하기에 적합하게 된 기체 유입 수단을 포함하는 구멍난 분배판과 구멍난 분배판의 단면 전체에 분포하며, 용기의 단면적을 가로지르는 입자의 흐름이 균일하도록 아래쪽으로 입자를 통과시키기에 적합하게 된 다운커머 수단을 포함하는 입자 적재 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 구멍난 분배판이 필수적으로 용기의 단면을 가로지르도록 연장되는 입자 적재 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 용기가 수직으로 배향된 원통형 용기인 입자 적재 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 용기가 수평으로 배향된 원통형 용기인 입자 적재 장치.
  17. 제2항에 있어서, 상기 용기가 압력변동에 의해 흡착 유체를 분리하는 조작에 적합하게 된 입자 적재 장치.
  18. 제3항에 있어서, 상기 용기가 흡착제 입자로 적재되는 흡착 용기인 입자 적재 장치.
  19. 제14항에 있어서, 상기 용기가 흡착제 입자로 적재되는 흡착 용기인 입자 적재 장치.
  20. 제3항에 있어서, 회전 아암의 내면에 낮은 마찰 물질의 코팅을 더 포함하는 입자 적재 장치.
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